10kV室內(nèi)開關(guān)柜高壓觸點溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

崔光照 劉 賓

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002）

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10kV室內(nèi)開關(guān)柜高壓觸點溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

崔光照 劉 賓

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002）

基于電力系統(tǒng)中對10kV室內(nèi)開關(guān)柜高壓觸點溫度測量的實際需求，本文設(shè)計了一種開關(guān)柜高壓觸點溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)傳輸，溫度傳感器采用氧化鋁導(dǎo)熱陶瓷封裝，系統(tǒng)通過測試，能夠?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)柜高壓觸點溫度監(jiān)測和故障溫度報警功能。

開關(guān)柜設(shè)備；無線監(jiān)測；高壓觸點；溫度測量

開關(guān)柜設(shè)備在電力系統(tǒng)中廣泛運用，承擔(dān)著線路投切、線路故障保護等重要作用，其安全穩(wěn)定運行對于供電線路的安全保障意義重大[1-3]。10kV室內(nèi)開關(guān)柜設(shè)備廣泛應(yīng)用，是用電設(shè)備可靠供電的保障，開關(guān)柜設(shè)備在長期的運行過程中，高壓觸頭的接觸電阻會有增加，高壓觸頭接觸電阻增加會引起觸頭溫升的增加，觸頭溫度過高會引發(fā)設(shè)備故障，導(dǎo)致設(shè)備損毀等事故[4-8]。因此，對開關(guān)柜設(shè)備觸頭溫度進行監(jiān)測，了解開關(guān)柜設(shè)備各高壓觸頭溫度就可以在一定程度上預(yù)防開光柜設(shè)備因觸頭溫升過高而引發(fā)的設(shè)備故障，做到預(yù)防性檢修，保障設(shè)備安全運行和供電可靠性。

由于 10kV開關(guān)柜設(shè)備內(nèi)部空間小、電磁干擾強等特點，高壓觸點溫度測量設(shè)備必須具備易于安裝、抗電磁干擾等功能[9-10]。就目前研究現(xiàn)狀而言，高壓觸點溫度測量方面主要采用接觸式測量和非接觸式測量兩種方式，接觸式測量有光纖光柵測溫、熱電偶測溫和聲表面波測溫等接觸式溫度傳感器；非接觸式測量采用紅外溫度傳感器[11-13]。高壓觸點溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)傳輸較為常見的有光纖傳輸、CAN總線傳輸、GPRS傳輸?shù)燃夹g(shù)[14]。對于高壓觸點溫度測量一般電力企業(yè)要求測溫系統(tǒng)能夠滿足24h全天候正常工作，報警溫度閾值一般為70℃左右，溫度測量范圍在?40℃～120℃之間，測量精度要控制在5℃以內(nèi)[15]。

本文以10kV室內(nèi)開關(guān)柜為研究對象，設(shè)計了一套開關(guān)柜高壓觸點溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行溫度數(shù)據(jù)的傳輸，在不改變開關(guān)柜內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，很好地解決了高低壓電氣隔離的問題；同時采用低功耗設(shè)計和屏蔽技術(shù)，可解決測溫節(jié)點使用壽命和抗強電磁干擾的問題。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、組網(wǎng)節(jié)點容量、數(shù)據(jù)傳輸速率等滿足了現(xiàn)場系統(tǒng)要求，溫度測量裝置采用氧化鋁導(dǎo)熱陶瓷一體化封裝，便于安裝在測溫觸點，開關(guān)柜各高壓觸點溫度數(shù)據(jù)通過上位機監(jiān)測軟件進行顯示，監(jiān)測軟件能夠?qū)崿F(xiàn)各測溫點溫度數(shù)據(jù)記錄、故障溫度設(shè)定和故障報警功能。系統(tǒng)正常測溫范圍為?55℃～125℃，測量精度為 1℃，能夠滿足開關(guān)柜高壓觸點溫度測量要求，實現(xiàn)對 10kV室內(nèi)開關(guān)柜設(shè)備高壓觸點溫度的在線監(jiān)測。

1　測量系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成上由溫度測量節(jié)點、數(shù)據(jù)集中器和上位機監(jiān)控界面等組成，系統(tǒng)方案設(shè)計如圖1所示。各高壓觸點測溫點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將溫度數(shù)據(jù)溫按照特定的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器將各開關(guān)柜發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送到監(jiān)控界面進行顯示和記錄，PC監(jiān)控界面對各測溫點數(shù)據(jù)進行顯示和記錄。

圖1　系統(tǒng)方案設(shè)計

2　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計上主要包括溫度測量節(jié)點部分和數(shù)據(jù)集中器部分，硬件設(shè)計框圖如圖2所示。測溫節(jié)點在硬件設(shè)計上主要包括單片機、供電單元、測溫傳感器單元、按鍵單元、仿真接口單元和功率放大單元，硬件設(shè)計原理框圖如圖2（a）所示。

圖2　硬件設(shè)計框圖

數(shù)據(jù)集中器在硬件設(shè)計上主要包括單片機、按鍵單元、仿真接口單元和功率放大單元，硬件設(shè)計原理框圖如圖2（b）所示。系統(tǒng)溫度測量節(jié)點和數(shù)據(jù)集中器節(jié)點核心芯片采用 TI/Chipcon公司的CC2530F256，用以實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)讀取和無線通信，CC2530F256芯片工作溫度為?40℃～125℃，能夠在開關(guān)柜內(nèi)部溫度條件下正常工作。該芯片使用單周期8051兼容內(nèi)核，外設(shè)睡眠定時器可以滿足系統(tǒng)低成本、低功耗的要求，同時支持 ZigBee協(xié)議和IEEE 802.15.4協(xié)議，內(nèi)含2.4GHz DSSS（直接序列擴頻）無線射頻收發(fā)器核心,該芯片功能強大、體積小，滿足了系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量發(fā)送要求，易于實現(xiàn)測溫節(jié)點的小型化。

2.1供電與功率放大

測溫點和數(shù)據(jù)集中器采用 DC 5V供電，CC2530F256單片機由 AMS1117?3.3V芯片進行電壓轉(zhuǎn)換后供電。測溫節(jié)點通過高能鋰電池供能，由于測溫節(jié)點不能帶電更換供電電池，所以必須保證測溫節(jié)點在設(shè)備停電倒換檢修前能持續(xù)運行，在程序設(shè)定上通過睡眠定時器加入適當?shù)男菝咂?，測溫節(jié)點在完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送后進入一定時間的低功耗休眠，通過降低測溫點功耗延長工作時間。

開關(guān)柜設(shè)備為封閉式鋼架結(jié)構(gòu)，為保證信號傳輸距離和信號發(fā)射強度，測溫點和數(shù)據(jù)集中器加入了功率放大芯片，功率放大器末端設(shè)計有板載PCB陶瓷天線，接入外接天線后增強信號的傳輸距離和穩(wěn)定性，減小開關(guān)柜內(nèi)高電壓、強磁場對測溫模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀ＷC了溫度數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量和強度，實現(xiàn)系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)無線傳輸和接收顯示。功率放大部分采用了RFX2401C功率放大芯片，RFX2401C是一種超集成度的射頻前端集成電路，整合了IEEE 802.15.4/ZigBee、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、2.4GHz的ISM頻帶射頻前端功能，配有高效率的功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、諧波過濾器和CMOS控制邏輯。

2.2溫度測量單元

系統(tǒng)測溫單元溫度傳感器采用美國 DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的接觸式的 DS18b20，該溫度傳感器為單總線數(shù)字式溫度傳感器，內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，測溫范圍為?55℃～125℃，測量精度相對較高，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，不需要復(fù)雜的額外圍電路，數(shù)據(jù)的讀寫和命令的寫入通過單根數(shù)據(jù)線進行，以“一線總線”方式把溫度數(shù)據(jù)串行給單片機，在開關(guān)柜復(fù)雜的電磁環(huán)境中工作，有較好的抗干擾能力，能有效降低開光柜內(nèi)部電磁環(huán)境對測溫單元的影響。

溫度測量單元采用高導(dǎo)熱氧化鋁陶瓷一體化封裝，測溫單元主要包括氧化鋁陶瓷封裝、電路板、鋰電池、環(huán)氧樹脂灌封膠和DS18b20溫度傳感器，封裝結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，采用氧化鋁陶瓷封裝可以有效防潮、防塵、防污和電壓絕緣，氧化鋁陶瓷高導(dǎo)熱系數(shù)保證了高壓觸點溫度測量數(shù)據(jù)的準確可靠，同時氧化鋁陶瓷封裝還能有效抗EMI（Electro-Magnetic Interference）和靜電干擾，提高測溫節(jié)點EMC（Electro Magnetic Compatibility）保證測溫節(jié)點可靠工作。測溫節(jié)點采用環(huán)氧樹脂膠裝，環(huán)氧樹脂固化后耐壓指數(shù)12～16kV/mm，具有良好的電氣絕緣性，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.15W/m·K，保證測溫節(jié)點處理芯片和高壓測溫觸點的熱隔離，同時處理芯片上涂有低熱阻和高導(dǎo)熱性的SM-A1導(dǎo)熱硅脂，其導(dǎo)熱系數(shù)大于6.0W/m·K，減小芯片工作時的溫升累積。測溫節(jié)點安放時，溫度傳感器一側(cè)貼近高壓測溫觸點。不同氧化鋁含量的導(dǎo)熱陶瓷主要性能參數(shù)見表1，系統(tǒng)封裝選擇氧化鋁含量99.7%的高剛玉質(zhì)導(dǎo)熱陶瓷，高純剛玉質(zhì)導(dǎo)熱陶瓷具有高導(dǎo)熱、高電氣絕緣、高耐壓和低吸水率等特性。

表1　導(dǎo)熱陶瓷性能參數(shù)表

圖3　測溫單元封裝結(jié)構(gòu)圖

2.3系統(tǒng)程序設(shè)計

測溫節(jié)點和數(shù)據(jù)集中器節(jié)點程序以 TI公司開發(fā)的Z-stack2007協(xié)議棧作為開發(fā)模板，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)組網(wǎng)收發(fā)。設(shè)備上電初始化并完成網(wǎng)絡(luò)組建后，溫度傳感器將測得的溫度數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器，無線數(shù)據(jù)幀格式定義為：開始標志（KKH）：測溫節(jié)點編號（4Byte）：節(jié)點溫度數(shù)據(jù)（2Byte）：CRC校驗碼（1Byte）；結(jié)束標志（00H），測溫節(jié)點每發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)就進入特定時間的休眠，周期性的進行數(shù)據(jù)幀的無線發(fā)送，數(shù)據(jù)集中器將接收到的測溫點數(shù)據(jù)發(fā)送到 PC監(jiān)測界面進行顯示和記錄。測溫節(jié)點和數(shù)據(jù)集中器節(jié)點程序設(shè)計如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)程序流程圖

3　實驗方法與結(jié)論

系統(tǒng)性能測試在實驗室條件下進行，選用3個溫度測量節(jié)點進行系統(tǒng)的組網(wǎng)運行測試和系統(tǒng)測溫性能測試。

系統(tǒng)組網(wǎng)測試中，3個測溫節(jié)點每1min發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀，PC監(jiān)測軟件對3個測溫點溫度數(shù)據(jù)進行記錄顯示。圖5所示為系統(tǒng)持續(xù)采集300個溫度數(shù)據(jù)，連續(xù)工作5h時，PC監(jiān)控軟件記錄的3個測溫點數(shù)據(jù)曲線圖。經(jīng)過實驗測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的組網(wǎng)工作，實現(xiàn)對開關(guān)柜高壓觸點溫度持續(xù)在線監(jiān)測。

圖5　監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

系統(tǒng)測溫性能測試通過將系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)與紅外測溫儀設(shè)備測得的數(shù)據(jù)進行比對分析系統(tǒng)測溫的相關(guān)參數(shù)，實驗主要對系統(tǒng)測溫誤差和測溫時延兩個參數(shù)進行測試，實驗數(shù)據(jù)表見表 2。經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)測溫誤差在1.5℃以內(nèi)，能夠滿足電氣高壓觸點溫度測量精度要求，系統(tǒng)由于測溫點氧化鋁導(dǎo)熱陶瓷等因素帶來的測溫時延為8s?，F(xiàn)場開關(guān)柜高壓觸點溫度閾值為70℃，設(shè)備正常運行情況下高壓觸點溫度變化率不大于20℃/min，觸點溫度變化是緩慢而連續(xù)的，對照系統(tǒng) 1.5℃的測溫誤差和 8s的測溫時延參數(shù)，系統(tǒng)的測溫性能可以滿足現(xiàn)場開關(guān)柜高壓觸點溫度測量要求。

表2　實驗數(shù)據(jù)表

4　結(jié)論

本文基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對10kV室內(nèi)開關(guān)柜設(shè)備設(shè)計了一種開關(guān)柜高壓觸點溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)通過氧化鋁陶瓷封裝的測溫節(jié)點進行高壓觸點溫度測量，溫度數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行無線傳輸并通過 PC監(jiān)測軟件實現(xiàn)高壓觸點溫度數(shù)據(jù)顯示、記錄和異常溫度報警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠，測溫節(jié)點易于安裝實現(xiàn)，經(jīng)過實驗室實驗測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，測溫性能滿足電氣設(shè)備高壓觸點溫度測量要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對 10kV室內(nèi)開關(guān)柜高壓觸點溫度的在線監(jiān)測，實時監(jiān)測各高壓觸點運行狀況，為 10kV室內(nèi)開關(guān)柜設(shè)備安全穩(wěn)定運行提供有力支持。

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Design of High-voltage Contact Wireless Temperature Monitoring System for 10kV Indoor Switchgear

Cui Guangzhao Liu Bin
(College of Electrical and Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002)

Based on the actual needs of temperature measurement in high voltage contacts for10kV indoor switchgear on the power system. This paper designs a wireless temperature monitorning system for high voltage contacts of switchgear. This system adopt the ZigBee network technology to realize the data transmission, temperature sensor use the thermal conductivity of alumina ceramic packages. System can achieve the temperature monitoring and fault alarm function in the laboratory test.

switchgear equipment; wireless monitoring; high pressure contact; temperature measurement

崔光照（1957-），男，鄭州輕工業(yè)學(xué)院教授，研究生導(dǎo)師，研究方向為智能化電器裝備設(shè)計。

河南省科技攻關(guān)項目（142102210517）

鄭州市科技陸軍人才項目（10LJRC184）